냉각탑 용도, 구성, 작동, 종류, 시운전 주의사항 (직교류형, 대향류형)

 안녕하세요. 일시블맨입니다. 오늘은 지역난방 냉방 시스템에서 중요한 장비인 냉각탑에 대해서 알아보려고 합니다. 냉각탑의 용도, 구성, 원리, 설치 또는 시운전에 주의사항은 무엇이 있는지 확인해 보도록 하겠습니다.

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1. 냉각탑의 용도, 목적

냉각탑의 용도는 냉동기의 응축수에서 사용되는 냉각수를 재차 사용하기 위해 실외 공기와 직접 접촉시켜 냉각수를 냉각시키는 일종의 열교환 장비입니다.

 

  좀 더 간단히 하면 응축기에 사용되는 냉각수를 냉각시켜주는 장치라고 간단히 표현할 수 있습니다. 그러나 아직 제대로 명확하게 이해되지 않습니다. 응축기는 무엇인지 왜 냉각시키는지 따라서 좀 더 깊이 이해하기 위해서는 아래 계통을 통해 냉동기를 이용한 냉방 시스템에 대해 이해해야 합니다.

 

사진1. 냉동기를 이용한 냉방시스템 계통

 

 냉동기는 팽창밸브, 증발기, 응축기, 압축기 이 4가지 장치에 냉매가 순환하면서 상태변화(기화↔액화)를 반복하고, 이때 발생하는 잠열의 흡수, 방출을 통해 냉방이 이뤄지는 시스템입니다. 그 과정을 간단히 아래 정리해 보겠습니다. (실제 흡수식 냉동기는 조금 더 복잡한 계통을 가지지만, 가장 간단한 냉동사이클로 설명하겠습니다.)

 

• 먼저 냉동기 안에서 냉매가 팽창밸브에 있는 작은구멍(노즐, 오리피스)을 통과하면서 마찰과 난류가 생겨 압력이 낮아지고 증발온도가 낮아져 증발되기 쉬운 조건, 즉 기화되기 쉬운 조건의 냉매로 변하게 됩니다.
• 이 후 증발되기 쉬운 상태의 냉매는 증발기에서 기화하면서 각 실에 FCU, 공조기에 공급되는 냉수의 열을 흡수하여 냉수를 차갑게 만듭니다. 그 과정에서 냉매는 기체 상태로 변하게 됩니다.
• 기체 상태가 된 냉매는 다시 증발기에서 기화를 통한 열흡수를 위해 액체상태가 되어야 하는데 이때 압축기를 통과하여 압력을 증가시키게 되고 응축기에서 냉수로부터 흡수한 열까지 방출하며 액체상태의 냉매로 되돌아옵니다.
• 이때 응축기에서 냉매에서 방출되는 열은 냉각수가 흡수하여 냉매의 액화를 진행시킵니다.

 

위 과정에서 알 수 있듯이 냉동기의 응축기에서는 냉매가 다시 기체에서 액체로 상변화 할 수 있게 냉각수에 가지고 있는 열을 방출합니다. 그러나 냉각수도 냉매와 마찬가지로 열을 흡수했기 때문에 이를 방출하여 열을 식히고 다시 응축기로 보내져야 합니다. 이때 냉각수를 다시 냉각시킬 때 사용되는 장비가 바로 냉각탑입니다.

 

위 시스템의 계통을 이해하고 다시 냉각탑을 정리하면, 냉동기의 응축기에서는 냉매를 액체로 만들기 위해 냉각수가 사용되는데 이 냉각수를 식히기 위한 장치가 바로 냉각탑인 것을 쉽게 알 수 있습니다.

 

2. 냉각탑의 구성 및 주위배관

 냉각탑은 기계실 응축기에서 온 따듯한 냉각수를 공기와 접촉시켜 식혀주는 장비임을 알게 되었는데 아래 사진을 통해 어떻게 구성되어 있는지 확인해보겠습니다.

사진2. 냉각탑의 구성 및 주위배관 계통

• ① 송풍휀
  : 냉각탑은 공기와 냉각수를 직접 접촉시켜 식혀주는 장비이므로 공기를 빨아들이는 장비가 필요한데, 공기를 냉각탑 내로 유입시켜 주는 것이 송풍휀입니다. 송풍휀 냉각탑 상단에 설치되며, 블레이드의 크기 각도를 조절하여 풍량을 조절할 수 있습니다.
  
  
• ② 충진재
  : 충진재는 냉각수와 공기가 접촉하여 서로 열교환될 수 있게 해주는 부품입니다. 보통 PVC재질의 얇은 다량의 충진재가 서로 겹쳐 저 냉각수가 흘러 내려올 수 있는 길을 만들고, 그 사이사이에 공기가 유입되어 냉각수와 공기의 접촉을 유발합니다. 충진재의 표면은 물결무늬로 요철이 있는데, 이는 냉각수가 최대한 펼쳐져 유입될 수 있도록 하여 공기와 접촉 표면적을 넓히고, 공기의 난류 발생을 유도하여 효율적인 열교환이 이뤄지게 합니다.
  
  
• ③ 오버플로우배관
  : 냉각수는 외기에 개방되어 있으므로 빗물이 유입되면 적정 냉각수량보다 초과할 수 있습니다. 이때 냉각탑 내 오버플로관을 통해 적정 냉각수량보다 초과하는 물을 배수하여 항상 일정한 냉각수량을 유지할 수 있게 합니다. 주의할 점은 오버플로우관은 항시 밸브를 개방시켜 비상시 원활하게 배수될 수 있도록 해야 합니다.
• ④ 보충수 공급관 및 볼탭
  : 냉각수는 외기에 개방되어 있어 증발 등으로 인해 냉각수량이 줄어들 수 있습니다. 이 때는 냉각탑 내 보충수 공급관을 통해 물을 공급하여 항상 적정 냉각수량을 유지할 수 있도록 합니다. 그리고 공급관 관말에는 볼탭을 설치하여 일정량의 냉각수 보충 시 자동으로 공급이 멈추게 되어 있습니다.
• ⑤ 기타 부속 품들
  : 위 사진에는 없는 부품들도 있습니다. 냉각탑을 두 개 나란히 붙여서 설치하는 경우 두 냉각탑의 수위를 일정하게 해주는 균압관을 설치해야 하고, 소음이 우려될 시 소음챔버를 설치하여 소음을 줄여야 합니다. 그리고 기온이 낮을 때에는 백연효과가 발생하는데 이로 인해 민원 발생이 우려되면 백연저감장치 설치도 고려할 수 있습니다.

사진3. 냉각탑 내부의 모습과 각 구성 부품

 

사진4. 냉각탑 하부 배관 드레인관, 오버플로관

 

 

3. 냉각탑의 작동 순서 및 제어

다음은 냉각탑이 작동될 때 어떠한 과정이 순차적으로 이뤄지는지 정리해 보도록 하겠습니다.

• 기계실에서 냉동기가 작동되면 냉각수펌프가 작동되게 되며, 냉각수 순환이 시작됩니다.
• 이때 냉각수의 온도가 설정된 온도보다 높으면 냉각탑의 송풍기가 작동됩니다.
• 응축기에서 나온 약 34 ~ 37℃의 냉각수는 냉각수환수관을 통해 냉각탑 상부에 있는 환수유입관으로 유입됩니다.
• 환수유입관으로 유입된 냉각수는 냉각탑 상부에 있는 충진재 유입구의 작은 구멍을 통해 냉각탑 충진재로 들어가게 되고, 위에서부터 아래로 충진재의 결을 따라 냉각수가 흐르게 됩니다.
• 냉각수가 충진재를 타고 내려올 때 송풍기휀으로 인해 충진재 사이사이로 공기가 유입되어 냉각수와 접촉하며 온도를 낮춰 주게 됩니다.
• 차가워진 냉각수는 냉각탑 하부 저수조에 모여 냉각수공급관을 통해 다시 기계실의 응축기로 이동합니다.
• 냉각수의 온도가 설정 온도보다 낮아지게 되면 송풍기가 정지되고 순환만 하게 되며, 다시 온도가 올라가면 송풍기는 작동됩니다.

사진5. 냉각탑 환수유입구와 충진재 열교환 과정

 

4. 직교류형 냉각탑, 대향류형 냉각탑

  냉각탑은 냉각수와 공기의 흐름방향에 따라 직교류형 냉각탑과 대향류형 냉각탑으로 나뉘는데 각 냉각탑의 흐름방향과 특징에 대해 알아보도록 하겠습니다.

사진6. 직교류형 냉각탑과 대향류형 냉각탑

 

1) 직교류형 냉각탑

  직교류형 냉각탑은 그림과 같이 냉각수 방향은 아래서 위 수직이고, 공기는 양쪽에서 수평으로 유입됩니다. 따라서 냉각수와 공기의 흐름방향이 서로 직교(90도)이므로 직교류형 냉각탑이라고 합니다. 직교류형 냉각탑은 다음과 같은 특징이 있습니다.

• 냉각탑의 높이가 낮고, 차지하는 면적이 넓다.
• 공기 흐름의 저항이 작아 보다 작은 동력의 휀 적용이 가능하다.
• 냉각탑 내부가 낮고 공간이 넓어 유지보수에 용이하다.
• 공기 배출구와 흡입구의 사이가 가까워 공기 재유입률이 높아 효율이 떨어질 수 있다.
• 여러대를 연이어 붙여 설치할 수 있다.

 

2) 대향류형 냉각탑

  대향류형 냉각탑은 냉각수 방향을 위에서 아래로 수직이며, 공기의 흐름은 아래서 위로 수직으로 유입됩니다. 이렇게 서로 반대되는 방향으로 열교환하는 냉각탑이 대향류형 냉각탑입니다. 다음과 같은 특징이 있습니다.\

• 냉각탑의 높이가 높고, 차지하는 면적이 작다.
• 공기 흐름이 저항이 커 보다 큰 동력의 휀을 적용해야 한다.
• 냉각탑 내부가 높고 배관, 노즐, 충진재 등이 설치되어 있어 유지보수가 어렵다.
• 공기 배출구와 흡입구의 사이가 멀어 공기 재유입률이 낮아 효율이 좋다.
• 대향류의 열교환 방식으로 효율이 좋다.

 

 

4. 냉각탑 설치, 발주, 시운전시 주의사항

1) 냉각탑 용량 선정 관련

  냉각탑의 용량은 지역난방공사에서 조건부승인 시 선정됩니다. 지역난방공사에서는 건축물의 각 실별 총 냉방 부하를 합산하여 냉동기를 선정하고 이에 맞는 냉각탑의 용량(CRT)을 선정합니다. 장비를 발주낼 때는 반드시 지역난방공사에서 선정해준 용량의 장비로 납품시켜야 합니다.

 

2) 냉각탑 패드 및 방진 관련

  냉각탑을 올려두게 되는 패드는 바닥 마감면에서 1,000mm 정도 높여 시공해야 합니다. 그 이유는 냉각탑 하부에 저수조나, 공급관, 각 부품등을 설치하기 위해서는 이 정도의 높이가 필요하며, 반드시 냉각탑 발주 전 패드도면을 제조사로 부터 받아 실시공에 적용해야합니다. 추가로 냉각탑은 진동이 발생하는 장비로 패드 하부에 네오프렌 방진이나, 패드와 장비 사이에 방진 장치를 설치하여 다른 곳으로 진동이 전달되지 못하게 해야합니다. 그리고 냉각탑에 연결되어 있는 배관에는 후렉시블밸브, T.P.C 밸브 등을 설치하여 배관을 타고 진동이 전달되는 것을 방지해야 합니다.

사진7. 냉각탑 하부 방진 장치

 

3) 소음챔버 및 백연저감장치 등

  냉각탑은 외부에 설치되는 큰 장비다 보니 소음이 발생합니다. 따라서 냉각탑 발주 전 방음방진 업체나, 냉각탑 업체에 소음 시뮬레이션을 실시하여, 가장 가까운 세대에 몇 db의 소음이 도달하는지 확인하고 이에 맞는 소음챔버를 설치하여 소음에 대한 민원을 예방하는 것이 바람직합니다. 추가로 소음챔버 설치 시 냉각탑의 높이가 증가하므로, 건축물의 높이 제한이 있는 경우 소음챔버설치 시 초과하지 않는지 미리 확인해야 합니다. 그리고 백연 효과로 인해 민원이 우려되는 곳에는 백연저감장치를 설치하여 예방하는 것도 바람직합니다.

 

4) 자동제어 관련

  냉각탑에 들어가는 자동제어는 크게 냉각탑의 휀을 언제 가동할 것인지에 대한 스케줄입니다. 보통 냉각탑의 휀은 냉각수 온도에 따라 제어되며, 냉각수 온도가 29도에서 기동, 24도에서 정지 등과 같이 세팅합니다. 그리고 냉각탑이 올바른 냉동기와 연동되어 있는지 확인해야 합니다. 예를 들면 a냉동기가 작동하면 a냉각탑이 기동 되어야 하는데, b냉각탑이 가동되는 경우도 있습니다. 따라서 시운전 전 같이 연결되어 있는 냉동기와 냉각탑끼리 연동이 되는지 확인해야 합니다.

 

5) 냉각수 수위 조절 및 리버스리턴

  냉각탑 환수관의 경우 메인관에서 분기되어 각각의 환수유입관으로 냉각수가 들어가게 됩니다. 이때 밸브를 모두 100% 개방한 상태에서 냉각수를 순환시키면, 메인관에서 가까운 쪽 유입관으로만 유량이 몰려 불균형이 발생하고, 냉각수가 넘치게 되는 상황이 발생합니다. 따라서 시운전 전 냉각수 펌프를 가동해 환수유입관에 있는 밸브 개도를 조절하여 각각의 유입관에 동일한 유량이 들어갈 수 있도록 조치해야 합니다. 아니면 리버스리턴관을 적용하여 별도 개도 조절 없이 동일 유량이 유입될 수 있게 하는 것도 하나의 방법입니다.

사진8. 냉각수가 넘치는 냉각탑의 모습

 

 

6) 냉각수 계통 관리 및 살균장치 적용

  냉각수 계통은 외기에 개방되어 있으므로 레지오넬라균 등과 같이 인체에 유해한 균들이 번식할 수 있습니다. 따라서 주기적인 관리(청소, 살균)를 통해 균의 번식을 방지해야 하거나, 아니면 배관 중간에 오존살균기를 설치하여 균 번식을 예방하는 것이 올바릅니다.

 

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  이것으로 냉각탑에 대한 용도 및 목적부터, 구성 부품, 작동원리, 종류 등에 대해 알아보았습니다. 알고 보면 크게 복잡한 장비는 아니기 때문에 쉽게 이해하실 수 있을 것 같습니다. 다음에는 공조기나 지역난방 냉방시스템에 대해 알아보도록 하며 글을 마치도록 하겠습니다.

 

긴 글 읽어주셔서 감사합니다.